口環(huán)間隙對立式單級消防泵組性能影響的試驗研究

吳圣禹

（應急管理部上海消防研究所，上海 201199）

立式單級消防泵組作為建筑物中消火栓系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)的重要設備，擔負著消防管網(wǎng)的供水任務。消防泵的口環(huán)是葉輪與泵殼之間的重要部件，口環(huán)間隙的大小將直接影響水泵的整體性能?？诃h(huán)間隙過小會導致磨損嚴重，零部件壽命減短；口環(huán)間隙過大導致容積效率降低，影響水泵性能。

目前，國內(nèi)外學者對其進行了廣泛的研究。楊宇宸等人運用數(shù)值模擬的方法探究了不同葉輪口環(huán)間隙寬度下離心泵的泄漏量與性能的變化情況。DaqiqShirazi,M等人研究了低比轉(zhuǎn)速離心泵口環(huán)間隙對泵內(nèi)流場及泵效率的影響，發(fā)現(xiàn)當口環(huán)間隙增大三倍以上時，泵整體效率的降低顯著減小。Haddara M R對不規(guī)則形狀的口環(huán)進行了研究，得到了間隙內(nèi)流體的壓力、軸向力的分布規(guī)律。但在GB6245-2006《消防泵》中消防泵組的性能測試方法中，消防泵的性能檢測是在1m吸深的前提下進行的，國內(nèi)外在這方面的試驗研究相對較少。因此，筆者基于學者們的研究基礎，針對消防用立式單機離心泵組展開研究，設計相應的試驗管路，對三種口環(huán)間隙下的離心泵的性能進行分析。

1 試驗條件與試驗方法

1.1 試驗條件

根據(jù)國家標準GB6245-2006《消防泵》中相關條款規(guī)定的試驗條件，在1m吸深的前提下對立式單級消防泵組的性能進行測試，測試管路為DN100的不銹鋼管路。主要試驗儀器為：精度為0.075%的壓力傳感器測量，精度為0.5級的DN100電磁流量計，誤差范圍為±0.1%感應線圈傳感器以及0.1級電流互感器等。

1.2 試驗方法

試驗數(shù)據(jù)采集及處理。使用DN100的管徑對不同口環(huán)間隙下的樣機泵進行性能測試，通過調(diào)節(jié)出口閥門將消防泵組從0流量點至1.5倍額定流量點依次進行測量，共取13個測量點。每個流量點應有一定時間的間隔，并應同時測量流量、壓力、轉(zhuǎn)速及電流和電壓。本文采用的樣機型號為XBD6.0/20G-L的立式單級消防泵組進行，其額定轉(zhuǎn)速為2900r/min，電機功率為22kW，電機效率89%。通過改變口環(huán)的外徑大小，使樣機實現(xiàn)三種不同大小的口環(huán)間隙，分別為0.25mm、0.40mm、0.55mm，進行相應的性能試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 口環(huán)間隙對立式單級消防泵組揚程的影響

根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，經(jīng)由公式計算后繪制不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化規(guī)律曲線，如圖1所示。隨口環(huán)間隙的增大，水泵揚程逐漸降低，整體曲線呈下降的趨勢。在出口閥門開度不大的小流量點時，揚程僅有小幅度降低。隨著閥門開度的不斷增大，流量不斷增加，揚程的變化也更加劇烈，在口環(huán)間隙為0.55mm時揚程降低尤為明顯?？诃h(huán)間隙的增大對水泵揚程產(chǎn)生負面影響，口環(huán)間隙越大，高速運動的流體會進入間隙的位置，從而產(chǎn)生大量的能量損失，導致?lián)P程下降。在1.5倍額定流量點時，口環(huán)間隙為0.55mm下的揚程變化程度最大，曲線出現(xiàn)陡降，說明此時水泵即將發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

圖1 不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化曲線圖

2.2 口環(huán)間隙對立式單級消防泵組效率的影響

圖2為不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著口環(huán)間隙的增大，消防泵的效率將減小。在小于額定流量點之前，泵的效率變化不明顯。隨著流量的不斷增大，口環(huán)間隙的大小對效率的影響逐漸增大。當口環(huán)間隙為0.25mm時，泵效率曲線沒有出現(xiàn)明顯拐點?？诃h(huán)間隙越大，泵的效率曲線拐點越明顯。同時，從曲線上可以看出，在1.5倍額定流量點時，口環(huán)間隙的大小對效率的影響最大，在這種極限流量點時，水泵本身是處于高能耗狀態(tài)，當口環(huán)間隙過大時，由于容積損失加大，將對水泵的性能產(chǎn)生嚴重的影響。

圖2 不同口環(huán)間隙下?lián)P程隨流量變化曲線圖

2.3 口環(huán)間隙對立式單級消防泵組軸功率的影響

從圖3不同口環(huán)間隙下軸功率隨流量變化曲線中可以發(fā)現(xiàn)，隨著口環(huán)間隙的增大，軸功率整體呈現(xiàn)增大趨勢。在流量點15L/s之前，不同口環(huán)間隙對軸功率的影響較小，軸功率曲線幾乎重合。隨著流量的增大，口環(huán)間隙的影響逐漸放大。這由于大流量點時，葉輪出口處大量高壓的流體會通過口環(huán)間隙進入進口低壓區(qū)，泄漏量增加導致水泵電機需要做更多的功來滿足此時的流量、揚程。在1.5倍額定流量點時，可以在口環(huán)間隙0.55mm的曲線上看到軸功率快速增加，此時的水泵電機處于超功率運行狀態(tài)，在這種狀態(tài)下長時間運轉(zhuǎn)將對電機產(chǎn)生破壞性的影響。

圖3 不同口環(huán)間隙下軸功率隨流量變化曲線圖

3 結(jié)語

在DN100的測試管路下對立式單級消防泵組的性能進行測試，以三種口環(huán)間隙0.25mm、0.40mm、0.55mm為變量，探討其對水泵揚程、效率、軸功率的影響。通過試驗數(shù)據(jù)處理及分析，得到以下結(jié)論。（1）口環(huán)間隙對泵揚程的影響，隨流量點的增大，壓力梯度減小，揚程變化愈加明顯。（2）隨著口環(huán)間隙的增大，消防泵的效率將減小，口環(huán)間隙越大，泵的效率曲線拐點越明顯，容積損失越大。（3）小流量的下口環(huán)間隙對軸功率影響不大，在1.5倍額定流量點時，口環(huán)間隙過大，將導致水泵電機超功率運行，影響消防泵的壽命。（4）消防泵在1.5倍額定流量點時，水泵性能受口環(huán)間隙的影響最大。